粉末成形，使金属粉末体密实成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块的工艺过程。它是粉末冶金工艺的基本工序之一。硬质合金品种多，用途广，成型方式很多，如模压成型、等静压成型、挤压成型、注射成型等。虽然成型方式各有不同，但粉末在成形中历经的过程是一致的，分别是颗粒位移与重排、弹塑性变形、断裂这三个过程。

1、颗粒位移与重排

在这一阶段中，压坯密度迅速增大，这是因为粉末的拱桥现象在成形力的作用下迅速（颗粒间由于摩擦力的作用而相互搭架形成拱桥孔洞的现象）消除，粉末颗粒移动距离比较大，使孔隙急剧减少。压制压力部分耗费与颗粒间的摩擦。

影响第一阶段的主要因素有：

1、粉末颗粒间内摩擦；

2、模具、模腔表面粗糙度；

3、润滑条件；

4、颗粒的显微硬度；

5、颗粒形状；

6、颗粒间可用于相互填充的空间（孔隙度）；

7、加压速度

 

粉末变形：

1、在这一阶段中，压坯密度增加缓慢，压制压力主要耗费与颗粒与模壁之间的摩擦和颗粒的弹塑性变形。粉末挤紧，颗粒开始有变形，根据变形的先后可以分为发生弹性变形和塑性变形阶段。

（1）弹性变形（颗粒接触应力≤材料的弹性极限）

对于塑性（有较大变形量）粉末，这一阶段并不明显，而对于硬质合金粉末，由于弹性模量大，这个阶段相当明显。

（2）塑性变形（颗粒接触应力≥材料的屈服强度）

压力的增大可能到达粉末材料的屈服强度，此时产生塑性变形。颗粒塑性变形的方向指向坯块中的孔隙，使得孔隙被填充，使压坯的密度增大。

 

断裂：

压力继续增大，可能达到粉末的强度极限，就会发生脆性断裂，脆性断裂使得断裂碎块填充孔隙，使得压坯密度继续增大。压制压力主要消耗于颗粒的破坏（也包括模具的变形）对于脆性粉末（没有明显变形过程）当粉末接触压力＞断裂强度时发生脆性断裂；而对于塑性粉末，断裂过程较为复杂：颗粒接触应力≥材料的屈服强度-塑性变形-加工硬化-脆化-断裂。

 

影响粉末变形和断裂的主要因素

1、颗粒形状

2、粒度及组成；

3、颗粒表面粗糙度

4、颗粒比重（致密程度）

颗粒表面粘附作用（颗粒的磁性、静电、液膜的存在等。）

 

成型剂是混合料压制成型的关键因素，它的添加方式是混合料成型质量控制的关键环节，应使成型剂充分溶解在溶剂中，均匀分布在混合料颗粒上，不产生局部富集现象，目前主要有两种添加方式：

1、湿磨过程添加（前加）

以能溶解成型剂的溶剂做湿磨介质，在湿磨过程中添加成型剂。例如：采用丙酮做湿磨介质，在湿磨结束前3小时添加石蜡到球磨机磨筒内，到湿磨终点时，石蜡完全溶解在湿磨介质中。经真空干燥或喷雾干燥后，石蜡均匀地分布在混合料中。也可在卸料后，将预制的石蜡丙酮溶液加入湿磨干燥后的混合料中，经均匀拌和干燥，回收溶剂。

采用不能溶解成型剂的液体做湿磨介质时，在湿磨时加入成型剂的方式，通过适当的工艺处理可制备成型剂均匀分布的混合料。如，以酒精作湿磨介质，PEG为成型剂，可在湿磨介质中加入5%-10%的纯水（PEG在水中溶解度大于酒精）；又如，以酒精作为湿磨介质，石蜡作成型剂，在湿磨机中添加成型剂的工艺过程为：将石蜡在热水（或汽油）中加热溶解→利用装入研磨体的球磨机进行研磨→加入原料、湿磨介质开始湿磨。

2、混合料干燥后添加（后添加）

将成型剂与溶液配制成溶液（如橡胶汽油溶液、石蜡丙酮等）加入湿磨干燥后的混合料中，经均匀拌和后干燥，回收溶剂。

成型剂前加方式的粉末均匀性要好于后加方式，下图a）为PEG前加时粉末电镜图，图b）为后加，明显看出，前加的粉末均匀性要优于后加方式。

 

混合料的总碳量是影响混合料质量好坏因素之一, 因为对于WC-Co-其他碳化物的三元合金, 两相区范围内合金中碳含量的允许波动范围非常窄, 而合金中一旦出现第三相, 即脱碳相(η相)或渗碳相(石墨相), 合金性能将会急剧降低。故严格控制混合料的化学成分十分重要, 必须通过科学的配料计算及选择恰当的“碳平衡系数”来加以控制。根据原料(钴粉、WC粉)的含氧量情况及其在湿磨、干燥、存放过程中的增氧情况以及合金的不同用途, 来调整原料的总碳量，故氧含量的控制对硬质合金的生产十分重要。

 

混合料中的氧既有原料粉末带入的，也有在混合料制备过程和粉末储存运输过程中增加的，粉末中有化合态氧和表面吸附的氧。混合料的氧含量控制包括原料控制和工艺过程控制两个方面：

1、原料控制

钴等金属粉末粒度细，表面积大，吸附氧和水分，容易氧化。细颗粒碳化物也容易增氧。除了按技术条件控制粉末的含氧量外，还应对其包装、储存和防护加以控制，防止增氧。原料库应采取降温除湿措施。PEG成型剂的混合料氧含量高于石蜡混合料，且晶粒越细，差距越大。

2、工艺控制

湿磨过程是一个增氧过程。研磨时间长，湿磨过程中料浆温度升高，增氧更加明显。实际生产中，除了尽可能缩短湿磨时间外，使湿磨机冷却是降低混合料氧含量的重要措施。干燥过程是氧含量控制的关键环节。喷雾干燥系统的密闭性，氮气的露点高低，卸料口的温度等参数都是影响混合料含氧量的重要因素。对真空干燥而言，系统的密闭性和出料温度高低则是影响氧含量的重要因素。

硬质合金合金混合料生产中粒度控制一般是指在生产中对碳化钨晶粒度的控制。合金的晶粒度直接影响合金的耐磨性、韧性（包括断裂韧性、冲击韧性、抗弯强度与抗压强度等），它与合金的碳含量一样是影响合金综合性能的关键因素，而合金的晶粒度很大程度继承于混合料的晶粒度。合金的晶粒度它包含两层意思：一是指合金的平均晶粒度；二是指合金的粒度分布，是否存在通常称之为的夹粗/夹细，晶粒分布是否均匀等。影响合金晶粒度的主要因素：原始WC粒度、球磨时间与烧结工艺等三个。而能在混合料生产过中控制的因素只有球磨时间。现代硬质合金生产中采用了一种称之为球磨试验法来检测碳化钨的粒度。球磨试验后的粒度用HCP值表示，是经过校正调整的矫顽磁力作为原始WC的粒度衡量值。

 

湿磨过程中引起WC粒度的变化，有二种不同的粉碎形式，一种叫破碎，使大颗粒WC破裂成小颗粒WC；一种叫磨耗，使边角磨损，产生微小粉末。球磨初期，首先沿着边界破坏为单晶为主的粉碎过程，使其粉末粒度的平均尺寸迅速下降，随着球磨时间增加，多晶颗粒越来越少，一旦晶界逐渐消失，破坏形式则以磨耗为主，随球磨时间增加，粉末粒度变细，组成范围变宽，增加粉末的不均匀性。另外随着粉末粒度的降低, 体系中粉末的比表面积与表面能不断增加，粉末产生团聚的倾向也随之增大，易导致烧结后合金晶粒部分变粗，影响合金性能。故需精确控制球磨时间。

压制过程中由垂直压力所引起的模壁施加于压坯的侧面压力称为侧压力。

（一）侧压力与压制压力的关系

为研究侧压力与压制压力的关系，可取一个简化的立方体压坯在压模中受力的情况来分析。

假定：1、阴模不发生变形；2、不考虑粉末体的塑形变形，即压坯是理想弹性体。

推导过程：

1、在压力作用下

压坯在X轴方向产生膨胀应变ξx1

  ξx1=vp/E                      （2-1）

式中，E为正弹性模量，V为泊松比

2、在Y 方向的侧压力P1y作用下

压坯在X轴方向产生膨胀应变ξx2

ξx2=vp1y/E                       （2-2） 

3、在X方向的侧压力P1x作用下

压坯在X轴方向产生压缩应变ξx3

ξx3=-vp1x/E                      （2-3）

由于受到压模的限制，立方体实际上不能在侧向膨胀，即X轴方向不发生变形。有：

ξx1+ξx2+ξx3=0                 （2-4）

由于对称性：

P1y=P1x=P1

联立（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）得

p1/p=v/(1-v)= ξ                 （2-5）

为侧压系数，即侧压力与压制压力的比值。同理，沿Y轴方向也可以推得相应的公式，其结果与（2-5）一样。

在实际压制中，横向膨胀并非在弹性范围内，还有颗粒的位移和塑性变形等，故公式（2-5）给出的侧压系数只能作参考。

 

侧压系数与压坯密度的关系

研究得出，粉末体的侧压系数和压坯密度有如下关系：

侧压系数随侧压力的增加而增加。当侧压力沿着压坯高度逐渐减少时，侧压系数也随之减少。即压坯密度越高，侧压系数越大。

压制过程中的压力分布：引起压力分布不匀的主要原因是粉末颗粒之间以及粉末与模壁之间的摩擦力。压块高度越高，压力分布越不均匀。实行双向加压或增大压坯直径，能减少压力分布的不均匀性。

 

粉末压制的密度不均匀性主要是由于压力分布不均匀造成的，可以由密度差来表示。

不均匀的密度分布通常由摩擦力和侧压力造成，它会对产品造成不良影响，可以同改善压力分布进而改善密度分布。

 

一、压坯密度不均匀性表示：

绝对密度差：

ρj=ρmax-ρmin

相对密度差

ρr=（ρmax-ρmin）/ρmax*100%

密度差反映了模压成形的技术水平，对密度差的数值要求越小，要求压制水平越高，在可能的情况下，应采用尽可能宽松的密度差。

 

二、压坯密度分布不均匀的影响：

1、不能正常成形，如出现分层，断裂、掉边角等；

2、烧结收缩不均匀，导致变形                                                                            

三、压坯密度分布不均匀性的产生原因可以分为直接原因和间接原因。

直接原因：外摩擦（导致压力损失，高度方向上密度差）、内摩擦、侧压力（造成坯体表面和内部密度差）

间接原因：压制方式、压坯形状与尺寸、压模结构与设计、润滑条件。

 

四、改善压坯密度分布不均匀性的措施

（1）、合理的压坯设计

根据压力高度分布公式P'=Pexp(-8μξ H/D)可知，降低压制品高度H，增大压坯直径D，即降低高径比H/D。

（2）、选择合理的压制方式

1、H/D≤1，而H/δ≤3时，可采用单向压制；

2、H/D＞1，而H/δ＞3时，可采用双向压制；

3、H/D＞4-10时，采用带摩擦芯杆压模压制、双向压制、浮动压制等；

4、对于H很大的制品，需采用特殊成形，如等静压、挤压等。

（3）、降低摩擦系数

1、采用润滑剂：模壁润滑优于整体润滑效果

2、合理的模具设计

粉末性能对压制质量的影响，主要从压坯密度、强度等方面考虑，粉末的弹塑性（即材质）、颗粒形状、大小等对会影响压坯的质量。

1.粉末颗粒材质的性质

粉末颗粒的硬度和可塑性影响着粉末胚体的密度和硬度。硬度越高，粉末的成型性越差。可塑性越好，粉末压缩性越高。不同的粉末材料，由于材质本身与杂质种类、含量的区别，在压制时与模具之间的摩擦性能也不同，摩擦系数越小，压坯成型的压力就越小，压坯的密度均匀性就越高。陶瓷粉末比金属粉末较难成形，这也是为什么，硬质合金混合料的成形剂含量较高的原因。但对于氧化的金属颗粒而言，其表面的氧化层相同于包覆了一层陶瓷，使塑性较好的金属粉末塑性降低，所以为了改善金属粉末的塑形，很多金属粉末材料在压制前要经还原退火处理。

 

2.粉末颗粒的形状

在坯体中，粉末颗粒形状对坯（pi）体密度和强度的影响是不同的。具体反映在粉末的填装性能和压制性能方面。颗粒表面复杂的粉末，容易形成拱桥现象，多以松装密度低，压坯密度差大，但颗粒间结合点多，又使压坯强度高。其就表现而言，颗粒的形状影响的是粉末的流动性。

3.粉末的粒度与粒度组成

一般来说，粉末越细，流动性越差，在填充狭窄且深长的模（mú）腔时就越困难，越容易形成拱桥现象，如下图所示。另外，细粉末的松装密度低，在模腔中的填充容积大，这样必须有较大的模腔尺寸。在压制时，由于压头移动的距离增大，压力损失增加，影响压坯密度的分布。粗颗粒粉末颗粒较大，成型时位移和变形都比较困难，对坯体的密度和强度提高同样不利。实践证明，非单一粒度的粉末组成的成型料，因可以形成较高的松装密度，所以在压制时能更好地提高压坯的密度和强度。即采用不同粒度组成的粉末，以小颗粒填充大颗粒的间隙，提高压坯密度。

带有曲面的零件的压制是粉末冶金压制领域不可回避的问题。在硬质合金等粉末冶金实际生产中，压坯常会带有曲面。比如球齿，其曲面即可以是工作面也可以是焊接面。另外如硬质合金短棒材，通常采用压制方式成形，采取上下冲为半圆柱面的构型，后期再通过外圆磨或无心磨等磨成圆棒。分析曲面的成形规律就显得十分重要。

 

如果压坯有一曲面，不可能用无限多个模冲去保证各处的压缩比一样。这时需要在模具的装料上进行修正。

下图有一有凹曲面的压坯，要实现等压缩比的压制，就必须改变粉体在模具中的分布来实现。

图中在h=1/4ho=1/3h1=1/2h2，要实现4比1、3比1、2比1的压缩比，粉体应分别装填至po、p1、p2等曲面处。通过理论得出的装填量可以通过对模具的合理设计来实现，即模具设计的修正系数。

 

如果没有理想的模具，也可以通过改变混合料的性能来予以缓解，主要有两个方向的改良：

1、通过改善混合料的流动性（实际是颗粒形貌和粒度分布），影响颗粒位移重排机制，改善密度不均。

2、改变粉体的弹塑性，影响颗粒微观变形机制，来缓解压坯密度不均的问题。

 

在压制带台阶的复杂压坯时，除了要考虑各台阶的压缩比相同外，还要考虑到各个台阶区域的压制速度。为了防止粉末在压制过程中的不产生侧向运动，各台阶的压制速度或压制压力满足速率平衡方程或压应力变化率平衡方程，即符合：

Hi/Hi+1=vi/vi+1（1）

式中：Hi---任意高度区的装粉高度；

      Vi---任意高度区的压制速度（=dHi/dt）。

或：

dPi/dt/Si=dPi+1/dt/Si+1（2）

式中：dPi/dt---任意高度区的总压力变化速率；

      si---任意高度区的正压面积。      

 

以下图为例，若用公式表示，A区中单位时间被压缩掉的体积与原粉末体积之比（压缩速率）为：

na=(Vo-V）/Vot=(HaSa-haSa)/HaSat=(Ha-ha)/Hat（3）

同理，B区中，单位时间内被压缩的体积与原体积之比为：

nb=(Hb-hb)/Hbt（4）

式中，Vo、V---分别为粉末压缩前、后的体积；

      t---压制时间；

      Ha、Hb分别为a区、b区粉末在压缩前的高度；

      ha、hb分别为a区、b区粉末在压缩后的高度；

      Sa、Sb分别为a区、b区的截面积（在压制时为常数）；

则（3）式可一般性地改写为：

n=(H-h)/th=v/H（5）

式中，v为压制速度，

      H为粉末压制前的高度。

在任何高度区的压制速度都可表为：

vi=niHi

则：vi/vi+1=niHi/ni+1Hi+1（6）

与（1）相比可知，ni=ni+1

因此，压制速率相等原则也可以叙述为压缩速率相等。